三维激光扫描技术在道路工程断面测量中的应用

阳杨

【关键词】三维激光扫描;高速公路;断面测量;精度分析

【中图分类号】U412.6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0071-03

0 引言

道路纵横断面是道路方案设计的基础资料，纵断面可以反映中线上地面的起伏情况，横断面可以反映垂直中线方向的起伏情况。通常使用全站仪、GPS、水准仪进行道路断面测量，但这些测量手段都是单点接触测量，工作效率低，测量数据密度低，无法准确反映地面起伏情况，特别是对一些地形复杂、起伏大的区域，采用传统测量手段无法顺利完成横断面测量工作。采用三维激光扫描技术，可以快速、准确、非接触式地获取目标区域精确的三维坐标和色彩纹理，扫描区域真实的空间形态，并且获取的数据更准确。因此，本文主要针对道路断面测量中三维激光扫描技术的具体应用进行研究，这对提高道路施工质量具有重要意义。

1 三维激光扫描技术概述

地面三维激光扫描技术是指采用激光信号对检测区域发出信号，根据激光信号的回传时间计算距离，同时对物体的三维数值进行检测，准确记录物体的平面坐标。通过对扫描系统取得的数据进行汇总计算，将得到的离散云点坐标组合成为汇聚X、Y、Z的三轴坐标，对物体的反射强度数值进行检测，具体原理如图1所示。

三维激光扫描系统属于高精度测量范畴，通过对被测量区域和物体进行三维建模重塑，获取目标的三维数值，并且根据数据整合效果，能够快速计算大型实体的空间状态和变化情况。多数传统测量技术只能对定点坐标进行测量，而且无法快速汇算三维情况，而三维激光扫描技术可以对客观物体的变化情况实现实时掌控，无论是应用于高精度加工，还是工程建筑施工，都能对区域内的空间情况进行准确检测，将三维激光扫描得到的数据信息传递到计算机与扫描分析系统中。随着三维激光扫描仪器的不断革新，现阶段可以将仪器安装到移动的车辆或飞机上，将激光测试距离提升至5 000 m以上 [1]。

采用传统方式对道路纵横断面进行检测时，通常会局限于路中央、台阶、路边等區域，生成的点云数据信息不够准确，而采用三维激光扫描技术，能够对区域内的任何点位进行检测，保证断面数据的采集质量，同时三维激光扫描技术还具有以下优点：①可以直接对点云数据进行扫描，外业人员不需要接触目标物体，这样可以提升检测工作的安全质量;②加测工作量较少，在对野外区域进行断面检测时，具备较高的工作效率;③能扫描采集目标海量数据且准确、真实;④三维激光扫描获取的资料数据更加直观，可以根据点云数据生成实际图像 [2]。

2 三维激光扫描技术的应用

2.1 技术路线

近年来，道路工程质量要求不断提升，断面检测是保证施工质量的重要措施，施工单位将三维激光扫描技术和相关仪器应用于断面检测环节，可以对施工地域进行全方位检测，帮助检测人员获取准确的道路横断面与纵断面效果图，帮助设计人员判断道路施工是否存在断面隐患。同时，传统检测方式会受到周围环境与交通运输体系的影响，进而降低检测结果的准确性，而采用三维激光扫描技术，可以准确无误地记录现场的地形数据信息，利用点云数据生成道路横断面、纵断面三维图，为道路工程的施工提供信息支撑，施工人员在施工环节也能时刻掌握横断面的变化情况，保证施工质量与效率。三维激光扫描技术流程如图2所示。

2.2 数据采集

在对被检测区域的数据信息进行采集时，可以将三维激光扫描仪器与数字化技术相结合，这样可以将地形信息转化为更加精确的HDP图像，提升横纵断面图像的分辨率与清晰度。这种检测技术能够对250 m以内的区域或物体进行精准扫描，并且根据扫描前布设的控制点位，对划定范围内的空间数据信息进行采集。平面控制根据《卫星定位城市测量技术规范》执行，利用平面高程共点，对仪器假设周围区域进行扫描，控制测量采用常规手段，例如借助GPS技术对道路点位的水平性进行检测，并且将公共靶标所取得的点云数据进行拼接，这样可以在计算机中生成清晰的点云图，并且转化为相应的横断面、纵断面情况，最后要应用全站仪对三维激光扫描所取得的数据信息进行检测，保证点云数据的准确性与可靠性 [3]。

2.3 拼接去噪

由于三维激光扫描技术所获取的数据信息伴随着一定的噪声，因此要对多余的图像信息进行去噪，根据事前布设的控制点接收的数据情况，将标靶检测点转化为道路施工区域，对周围的点云扫描效果进行汇总。通过对施工范围内的横断面、纵断面数据信息进行拼接，能够将差异数值控制在1 m左右，满足《工程测量规范》（GB/50026—2007）中的相关要求，随后根据实际情况，对三维激光扫描取得的数据信息进行多次降噪处理，就可以得到横断面、纵断面清晰的图像 [4]。

2.4 断面成果生成

通过对点云数据进行汇总，根据道路施工情况生成断面成果，可以采用两种生成方式：一是在点云成果数据中直接提取，结合提前划定的坐标点，对缺失的数据信息进行补全，使点云图像拥有更多的数据信息;二是直接对点云按照设计里程桩号，对道路施工区域进行划分，首先对各施工区域的点云数据进行汇集，然后对断面成果进行转化。第二种方式虽然耗时较长，而且需要对道路施工区域进行拆分，但是可以保证检测工作的准确性，在不同区块进行拼接时，还能够对周围数据情况的相似性进行检测，如果相邻板块中的数据存在差异，则说明三维激光扫描取得的数据不准确，需要对相邻区域的标定位置进行重新检测，直到生成的断面数据相同为止 [5]。

2.5 精度测定

在道路断面检测图像生成后，还要对成果展开精度测定，再次使用三维激光扫描系统对断面成果的精度进行评定，结合全站仪对目标区域内的纵断面坐标进行测试，随意挑出横断面、纵断面的点位坐标，与三维激光扫描结果进行对比。为了保证全站仪测量的精准性，可以根据地形测量基本精度要求，在评定环节加入棱镜作业模式，将测距长度控制在150 m左右，例如将三维激光扫描数据与全站仪测量数据进行重合性对比，如果发现差异点位，可以利用棱镜检测模式对横断面、纵断面的测量高程进行计算，如果高程较差数值为-1～2.5，则说明三维激光扫描数据结果与全站仪检测结果差异度较小，可以对道路区域的断面进行检测。反之，则采用其他的全站仪或三维激光扫描技术重新测绘施工区域的点云数据。

3 三维激光扫描技术在道路工程中的应用要点

3.1 仪器选择

为保证道路断面检测工作质量，首先要选择合适的道路施工方案，并综合考虑施工环境，保证所选择的三维激光扫描仪器的最大测量距离能够对施工区域进行全面布控，同时要配备高分辨率相机，对地面数据情况进行实时拍摄，与三维激光扫描仪器所取得的点云数据进行对比，这样可以找出施工过程中道路横断面、纵断面的质量问题，而且可以阶段性地对横断面、纵断面的变化数值进行分析，将其控制在合理的范围内，并及时对后续施工方案进行调整，保证整体施工质量。

3.2 区域特征提取

要提取测量区域的特征数值，三维激光扫描系统具备独立的坐标体系，为了加强三维坐标与大地坐标的转化效率，可以配合相应的布设控制网络，并且利用水准仪与全站仪搭建全新的三维坐标体系，首先将三维坐标体系与三维激光扫描生成的数据信息进行对比，然后将相同区域的数据与大地坐标进行对比，这样可以发挥闭合环形控制网络的应用优势。此外，由于道路工程屬于大型带状结构，因此要采用多站点测量模式，例如围绕施工区域科学布设控制点位，扫描仪在道路两侧依次向前推进，不同站之间利用标靶进行连接，通过拟合球心将两站数据进行对接，明确无差异数值后，将最终的坐标体系录入计算机中，为点云数据图像的生成提供信息支持。

3.3 点云数据处理

在处理点云数据时，首先要建立原始点位，并且在软件中进行数据预处理，保证三维激光扫描仪获取的数据信息不受噪声影响，因此需要经过多次降噪处理;然后将数据信息转化为点云数值，对多个检测区域内的点云数据进行拼接，利用软件将标靶球心所连接的站点进行结合，形成统一的坐标体系，这样可以准确反映道路施工区域的全景三维图;之后对坐标中的数据信息进行转化，利用标靶中心数值，对横断面、纵断面的坐标信息进行划定，后续通过对坐标点位的变化数值进行分析，能够准确判定断面是否存在质量问题。云数据转换为大地坐标系统，测量数据中包含行人、车辆、楼房等无用数据，数据量非常大，为了提高后续数据处理的效率，需要进行数据的抽稀处理。

3.4 转化成图

在三维激光扫描数据转化成图像的过程中，需要保证测量数据的准确性，因此要分别对测量精度与道路特征结果进行验证。在对点云数据精度进行测量时，要避免数据拼接过程中出现误差，逐次对标靶坐标体系和大地坐标数据进行对比和分析，将误差数值控制在合理范围内，保证点云数据信息的准确性。在对道路特征的准确性进行判定时，一方面要保证抽稀工作效果，尽量去除多余的图像噪声;另一方面要把控抽稀程度，避免对原有的图像信息造成影响，最后确认无误后，将点云数据转化为CAD图像，为道路施工提供数据支撑。

4 结论

综上所述，将三维激光扫描技术应用到道路施工中，不仅可以保证横断面、纵断面的施工质量，而且能够及时发现断面质量问题。通过对施工区域内的断面信息进行准确判定，生成相应的云点图像，不仅可以减少道路检测外业工作量，还能提升断面检测工作的准确性与可靠程度。

参 考 文 献

[1]程思源.工程测绘中地面三维激光扫描技术的应用研究[J].华东科技（综合），2019（10）：1.

[2]王克峰，平世越.车载三维激光扫描系统在公路断面测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2018（8）：195-197.

[3]潘小波.三维激光扫描技术在地铁隧道平纵断面测量中的应用[J].低温建筑技术，2020（3）：116-119.

[4]孟斌，吴廷，张天.三维激光扫描技术在公路隧道检测中的应用[J].矿山测量，2019（4）：108-112.

[5]陈涛，翟超，范鹏程，等.回弹法及三维激光扫描技术在地铁线路结构健康检测中的应用[J].试验研究，2018

（7）：55-57.